DE102019218812A1

DE102019218812A1 - Matrix potential sensor and measuring method for determining the matrix potential

Info

Publication number: DE102019218812A1
Application number: DE102019218812.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kurth; William Mende; Benjamin Heibutzki; Sven Voigt; Perez Weigel; Toni Großmann; Wolfgang Dettmann; Jochen Arold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt. Eine genaue , störungsfreie und zuverlässige Messung soll dadurch realisiert werden, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei alle Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.The invention relates to a matrix potential sensor for determining the suction tension of a medium with a first sample body (104) which is hydraulically coupled to the medium and which contains at least one absorbent first matrix material, the electrical resistance of the first sample body being dependent on the suction tension of the sample body hydraulically coupled to it Medium depends. An accurate, interference-free and reliable measurement is to be achieved in that, in order to measure the electrical resistance of the first sample body, a first pair of electrodes (102a, 102b) with a first electrode (102a) and a second electrode (102b) spaced therefrom is provided which are connected to at least one electrical power source (1, 2) and between which an electrical current is generated through the first matrix material by the power source, and that a second pair of electrodes (101a, 101a, 101b) is provided with a third electrode (101a) and a fourth electrode (101b) spaced apart therefrom, all electrodes (101a, 101b, 102a, 102b) being arranged separately from one another, in particular the first and second electrodes and their leads from the third and fourth electrodes and their leads are spaced apart within the matrix material.

Description

Matrixpotenzialsensoren werden unter anderem zur Bestimmung der Saugspannung im Boden eingesetzt, können aber auch die Saugspannung in einem beliebigen an den Sensor hydraulisch gekoppelten Medium messen. Dabei wird die sich mit der Saugspannung des Mediums ändernde Leitfähigkeit des Matrixmaterials als Messprinzip verwendet.Matrix potential sensors are used, among other things, to determine the suction tension in the soil, but can also measure the suction tension in any medium that is hydraulically coupled to the sensor. The conductivity of the matrix material, which changes with the suction tension of the medium, is used as the measuring principle.

Matrixpotenzialsensoren - teilweise auch als Gipsblocksensoren bekannt - dienen vorzugsweise zur Bestimmung der Saugspannung im Boden. Die Saugspannung gibt an, wie groß die Haltekräfte des Wassers im Boden sind und wird üblicherweise in Millibar oder Hektopascal angegeben. Pflanzen müssen die Haltekräfte des Wassers überwinden, um Wasser aus dem Boden zu entziehen.Matrix potential sensors - sometimes also known as gypsum block sensors - are primarily used to determine the suction tension in the soil. The suction tension indicates how great the holding force of the water in the ground is and is usually given in millibars or hectopascals. Plants have to overcome the holding power of water in order to draw water from the soil.

Matrixpotenzialsensoren sind preiswert und ausreichend genau für Steueranwendungen in der Pflanzenbewässerung. Somit sind sie für übliche Anwendungen den zwar genaueren aber auch in der Anschaffung deutlich teureren Tensiometern überlegen.Matrix potential sensors are inexpensive and sufficiently accurate for control applications in plant irrigation. This means that they are superior to the tensiometers, which are more accurate but also significantly more expensive to purchase, for common applications.

Der Messeffekt beruht darauf, dass der Flüssigkeitsgehalt eines porösen Mediums die elektrische Leitfähigkeit dieses Mediums beeinflusst, wenn die Flüssigkeit eine definierte spezifische Leitfähigkeit aufweist. Zur Messung wird ein Probekörper aus einem porösen Material (Matrixmaterial) eingesetzt. Wenn der Probekörper eine hydraulische Anbindung an das Umgebungsmedium besitzt, dessen Saugspannung ermittelt werden soll, stellt sich nach einer von den jeweiligen Umständen (Berührungsfläche, Material zum Trennen des Probekörpers und Umgebungsmediums, Saugspannung des Probekörpers und des Umgebungsmediums) abhängigen Zeit ein Gleichgewicht der Saugspannungen ein. Dabei bewegt sich die Flüssigkeit des Umgebungsmediums in den Probekörper, solange die Saugspannung des Probekörpers größer als die des Umgebungsmediums ist. Im Gegensatz dazu bewegt sich Flüssigkeit aus dem Probekörper in das Umgebungsmedium, solange die Saugspannung des Umgebungsmediums größer als die des Probekörpers ist. Diese Ausgleichsvorgänge sind abgeschlossen, wenn die Sauspannung von Probekörper und Umgebungsmedium gleich sind.The measuring effect is based on the fact that the liquid content of a porous medium influences the electrical conductivity of this medium if the liquid has a defined specific conductivity. A test specimen made of a porous material (matrix material) is used for the measurement. If the test specimen has a hydraulic connection to the surrounding medium, the suction tension of which is to be determined, an equilibrium of the suction tensions is established after a time dependent on the respective circumstances (contact surface, material for separating the test specimen and the surrounding medium, suction tension of the test specimen and the surrounding medium) . The liquid in the surrounding medium moves into the specimen as long as the suction tension of the specimen is greater than that of the surrounding medium. In contrast, liquid moves out of the specimen into the surrounding medium as long as the suction tension of the surrounding medium is greater than that of the specimen. These equalization processes are completed when the tension of the specimen and the surrounding medium are equal.

Die Saugspannung poröser Materialien hängt von deren Porosität und vom Flüssigkeitsgehalt ab. Materialien mit kleinen Kapillaren erzeugen bei gleichem Flüssigkeitsgehalt eine größere Saugspannung aus Materialien mit größeren Kapillaren. Wird als Probekörper ein poröses Material mit definierten Kapillaren eingesetzt, kann man davon ausgehen, dass es in einem bestimmten Wertebereich der Saugspannung des Umgebungsmediums zu einem von dieser Saugspannung abhängigen Flüssigkeitsgehaltes des Probekörpers kommt. Neben flüssigkeitsgefüllten Kapillaren bestehen auch Kapillaren, die mit Luft oder einem anderen Gas aus der Umgebung und Dämpfen gefüllt sind. Diese tragen im Gegensatz zu den mit Flüssigkeit gefüllten Kapillaren nicht oder nur sehr gering zur elektrischen Leitung bei. Je mehr Kapillaren mit Flüssigkeit gefüllt sind, desto größer ist die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials des Probekörpers. Je weniger Kapillaren mit der Flüssigkeit gefüllt sind, desto niedriger wird die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials des Probekörpers.The suction tension of porous materials depends on their porosity and the liquid content. Materials with small capillaries generate a greater suction tension from materials with larger capillaries with the same liquid content. If a porous material with defined capillaries is used as the test specimen, it can be assumed that in a certain range of values of the suction tension of the surrounding medium, the liquid content of the test specimen is dependent on this suction tension. In addition to liquid-filled capillaries, there are also capillaries that are filled with air or another gas from the environment and vapors. In contrast to the capillaries filled with liquid, these contribute little or no contribution to the electrical conduction. The more capillaries are filled with liquid, the greater the electrical conductivity of the porous material of the specimen. The fewer capillaries that are filled with the liquid, the lower the electrical conductivity of the porous material of the specimen.

Wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeit im Probekörper eine definierte Leitfähigkeit aufweist, kann durch eine Messung des spezifischen Widerstandes des porösen Materials des Probekörpers auf dessen Gehalt an Flüssigkeit und demzufolge auf die Saugspannung des Probekörpers geschlossen werden.If it is assumed that the liquid in the specimen has a defined conductivity, a measurement of the specific resistance of the porous material of the specimen can be used to determine its liquid content and consequently the suction tension of the specimen.

Aus der Offenlegungsschrift DE102004056178A1 ist eine Messmethode für Matrixpotenzialsensoren bekannt, welche die Nachteile des üblichen Verfahrens, welches mittels Wechselspannung arbeitet kompensiert und eine Messung des Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit des Probekörpers selbst möglich macht. Hierzu wird in kurzen Pulsen eine Gleichspannung an den Sensor angelegt und durch Spannungsmessung zu verschiedenen Zeitpunkten eine Bilanzierung der Spannungen durchgeführt, um den Spannungsabfall über dem Probekörper direkt zu bestimmen. Ein Mikrocontroller übernimmt dabei die automatische Durchführung der Messung. Aufgrund der Ladespannung, die sich an beiden elektrischen Leitern zur Kontaktierung des Probekörpers aufgrund der Verwendung von Gleichspannungsimpulsen bildet, wird die gemessene Spannung mit dem Potential der Ladespannung überlagert und dadurch verfälscht. Die genannte Offenlegungsschrift beschreibt, dass dieser Störeffekt erst nach einer Minute abgeklungen ist und dazu zwingt, ein entsprechend langes Messintervall nicht zu unterschreiten. Ein Ziel der neuen Lösung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen.From the published patent application DE102004056178A1 a measurement method for matrix potential sensors is known which compensates for the disadvantages of the usual method, which works by means of alternating voltage, and which makes it possible to measure the resistance or conductivity of the test specimen itself. For this purpose, a direct voltage is applied to the sensor in short pulses and the voltages are balanced by measuring the voltage at different times in order to determine the voltage drop across the test specimen directly. A microcontroller takes over the automatic execution of the measurement. Due to the charging voltage that forms on both electrical conductors for contacting the specimen due to the use of direct voltage pulses, the measured voltage is superimposed with the potential of the charging voltage and thus falsified. The cited laid-open specification describes that this disruptive effect only subsided after one minute and makes it necessary not to fall below a correspondingly long measurement interval. One aim of the new solution is to eliminate this disadvantage.

Aus der Offenlegungsschrift WO2014/113460A1 ist ein Aufbau eines biodegradierbaren Sensors bekannt, welcher aus dem Erdreich seine Daten beim Überfahren mit Landmaschinen oder mit einer Ausleseeinheit mittels RFID-Technologie übertragen kann. Der Sensorknoten besitzt keine Batterie und es werden unterschiedliche Sensormechanismen wie z. B. ionenselektive Messung, Leitfähigkeit, Feuchtigkeit, Temperatur, beschrieben.From the published patent application WO2014 / 113460A1 a construction of a biodegradable sensor is known, which can transmit its data from the ground when driving over it with agricultural machinery or with a read-out unit using RFID technology. The sensor node does not have a battery and different sensor mechanisms such as B. ion-selective measurement, conductivity, humidity, temperature described.

Die Offenlegungsschrift WO2012/175976A1 beschreibt einen Matrixpotentialsensor welcher mit Hilfe von flexiblen Zwischenschichten zwischen porösen Material und Elektroden die Messgenauigkeit erhöht, indem Unebenheiten der Elektrodenoberfläche ausgeglichen werden und Hohlräume vermieden werden. Eine solche Zwischenschicht ist durch die Nutzung von Elektroden aus leitfähigem Polymer und dem in der hier beschriebenen Erfindung nicht notwendig.The disclosure document WO2012 / 175976A1 describes a matrix potential sensor which, with the help of flexible intermediate layers between the porous material and the electrodes, the measurement accuracy increased by compensating for unevenness in the electrode surface and avoiding cavities. Such an intermediate layer is not necessary due to the use of electrodes made of conductive polymer and that in the invention described here.

Das US-Patent USOO7705616B2 beschreibt den Matrixpotenzialsensor und seinen konkreten Aufbau mit Gips-Tablette, einem Paar konzentrisch angeordneter Ringelektroden und dem gelochten Metallgehäuse mit Vlieseinlage.The US patent USOO7705616B2 describes the matrix potential sensor and its concrete structure with plaster tablets, a pair of concentrically arranged ring electrodes and the perforated metal housing with a fleece insert.

Der vorliegenden Erfindung liebt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein einfaches elektrisches Messverfahren sowie einen Matrixpotentialsensor zu schaffen, um den Zusammenhang zwischen Matrixpotenzial und elektrischer Leitfähigkeit herzustellen und in einem kompakten Gehäuse als Sensor für Messungen bereitzustellen. Dabei sollen bekannte Nachteile der Standardmessverfahren kompensiert oder vermieden werden. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch einen Matrixpotentialsensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben mögliche Implementierungen.Against the background of the prior art, the present invention is based on the object of creating a simple electrical measuring method and a matrix potential sensor in order to establish the relationship between matrix potential and electrical conductivity and to provide it in a compact housing as a sensor for measurements. Known disadvantages of the standard measurement method are to be compensated for or avoided. The object is achieved with the features of the invention by a matrix potential sensor according to patent claim 1. The subclaims describe possible implementations.

Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf einen Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper, der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt.The invention accordingly relates to a matrix potential sensor for determining the suction tension of a medium with a first sample body which is hydraulically coupled to the medium and which contains at least one absorbent first matrix material, the electrical resistance of the first sample body depending on the suction tension of the medium hydraulically coupled to it .

Die Aufgabe, einen derartigen Sensor möglichst einfach und derart zu gestalten, dass Messungen genau und unverfälscht ermöglicht werden, wird gemäß der Erfindung derart gelöst, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode vorgesehen ist, wobei alle Elektroden separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode elektrisch mit der dritten und der vierten Elektrode innerhalb des ersten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind.The object of designing such a sensor as simple as possible and in such a way that measurements are made possible precisely and without falsification is achieved according to the invention in such a way that a first pair of electrodes with a first electrode and a from this spaced second electrode is provided, which are connected to at least one electrical power source and between which an electrical current is generated through the first matrix material by the power source, and that on or in the first sample body for measuring a voltage drop, a second pair of electrodes with a third Electrode and a fourth electrode spaced therefrom is provided, all electrodes being arranged separately from one another, in particular the first and second electrodes electrically with the third and fourth electrodes within the first sample body exclusively by means of a matrix material are connected.

Die Aufgabe kann in einer alternativen Darstellung der Lösungsform auch dadurch gelöst werden, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.The object can also be achieved in an alternative representation of the solution form in that a first pair of electrodes with a first electrode and a second electrode spaced apart from this are provided in or on the first sample body to measure the electrical resistance of the first sample body, which is provided with at least one electrical power source are connected and between which an electrical current is generated through the first matrix material by the power source, and that on or in the first sample body for measuring a voltage drop a second pair of electrodes is provided with a third electrode and a fourth electrode spaced therefrom, the first and the second electrode and its leads are spaced from the third and fourth electrodes and their leads within the matrix material.

Durch die beschriebene Gestaltung und Anordnung der Elektroden können Verfälschungen der Messung, die durch parasitäre Widerstände und Kapazitäten sowie durch elektrochemische Effekte an den Elektroden entstehen könne, weitgehend vermieden werden. Mit dem ersten Elektrodenpaar kann zuverlässig ein Strom mit einer kontrollierbaren Stromstärke in dem Matrixmaterial eingeprägt/erzeugt werden. Durch die Wahl einer geeigneten Stromquelle, beispielsweise mit einem genügend hohen Innenwiderstand und/oder durch Vorsehen eines ausreichend hohen Vorwiderstandes, beispielsweise auch durch die Wahl geeigneter Materialien mit einem ausreichend hohen elektrischen Widerstand für die erste und die zweite Elektrode und/oder durch Verwendung einer Stromregelung kann die Stromstärke ausreichend genau bestimmt und auch konstant gehalten werden. Dies gilt auch bei Änderungen der Kontaktierung zwischen dem Matrixmaterial und den Elektroden des ersten Elektrodenpaares. Solche Änderungen können relativ leicht auftreten dadurch, dass die Elektroden in das Matrixmaterial lediglich eingesteckt sind und dass das Matrixmaterial nicht notwendigerweise fest ist. Das Matrixmaterial kann auch wenigstens teilweise als Schüttung oder als eine gepresste Menge eines Schüttgutes vorliegen. Der Leitungswiderstand jeder der Elektroden, insbesondere der ersten und der zweiten Elektrode, einschließlich ihrer Zuleitungen, kann jeweils zwischen dem im Probekörper angeordneten Ende und dem an eine Messschaltung angeschlossenen Ende zwischen 500 Ohm und 500 Kiloohm betragen. Solche Werte könne durch die Verwendung von leitfähigen Polymerelektroden erreicht werden. Hierzu kann beispielsweise das Polymer mit einem leitfähigen Werkstoff gefüllt sein. Durch die Erzeugung derartiger Zuleitungswiderstände wird der Strom durch den Probekörper zusätzlich, auch bei Kontaktwiderstandsänderungen stabilisiert.Due to the design and arrangement of the electrodes described, falsifications of the measurement, which could arise from parasitic resistances and capacitances as well as from electrochemical effects on the electrodes, can be largely avoided. With the first pair of electrodes, a current with a controllable current strength can reliably be impressed / generated in the matrix material. By choosing a suitable power source, for example with a sufficiently high internal resistance and / or by providing a sufficiently high series resistance, for example also by choosing suitable materials with a sufficiently high electrical resistance for the first and second electrodes and / or by using a current control the current intensity can be determined with sufficient accuracy and also kept constant. This also applies to changes in the contact between the matrix material and the electrodes of the first electrode pair. Such changes can occur relatively easily because the electrodes are merely plugged into the matrix material and the matrix material is not necessarily solid. The matrix material can also be present at least partially as bulk material or as a pressed quantity of bulk material. The line resistance of each of the electrodes, in particular the first and second electrodes, including their leads, can be between 500 ohms and 500 kilohms between the end arranged in the test specimen and the end connected to a measuring circuit. Such values can be achieved through the use of conductive polymer electrodes. For this purpose, for example, the polymer can be filled with a conductive material. By generating such lead resistances, the current through the specimen is additionally stabilized, even if the contact resistance changes.

Dadurch, dass die Spannungsmessung unabhängig von der Stromeinprägung implementiert ist, kann die Spannungsmessung für sich optimiert werden. Elektrochemische Effekte an den Elektroden können somit entweder eliminiert oder zumindest stabilisiert/konstant gehalten werden, so dass sie die individuellen Messungen nicht beeinflussen. Die Elektroden zur Spannungsmessung müssen auch nicht niederohmig mit dem Matrixmaterial verbunden sein, so dass die Messung auch bei nicht optimalem Kontakt noch zuverlässig durchgeführt werden kann.Because the voltage measurement is implemented independently of the current impression, the voltage measurement can be optimized for itself become. Electrochemical effects on the electrodes can thus either be eliminated or at least stabilized / kept constant so that they do not influence the individual measurements. The electrodes for voltage measurement also do not have to be connected to the matrix material with a low resistance, so that the measurement can still be carried out reliably even if the contact is not optimal.

Eine besondere Ausgestaltung des Sensors kann dabei vorsehen, dass die Anordnung der zwei Elektrodenpaare als Vier-Leiter- Anordnung ausgebildet ist.A special embodiment of the sensor can provide that the arrangement of the two pairs of electrodes is designed as a four-conductor arrangement.

Die Vier- Leiter- Anordnung umschreibt dabei die Anordnung der vier Einzelelektroden der beiden genannten Elektrodenpaare, die jeweils einzeln separat in dem Probenkörper angeordnet sind, und von denen insbesondere jede ihre eigene Zuleitung bis zur Steuer- und Auswerteschaltung besitzt.The four-wire arrangement describes the arrangement of the four individual electrodes of the two mentioned electrode pairs, each of which is individually arranged separately in the specimen, and of which in particular each has its own supply line to the control and evaluation circuit.

Eine Implementierung der Erfindung kann auch vorsehen, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenpaar als Paar von Polymerelektroden ausgebildet ist.An implementation of the invention can also provide that the first and / or the second pair of electrodes is designed as a pair of polymer electrodes.

Solche Polymerelektroden können aus einem an sich schon teilweise leitfähigen Werkstoff bestehen oder der Werkstoff kann mit einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kohlenstoff, gefüllt sein. Es kommen als Grundmaterial beispielsweise einige Kunststoffe, Keramik oder auch Gummi in Frage.Such polymer electrodes can consist of a material that is already partially conductive, or the material can be filled with a conductive material such as carbon. Some plastics, ceramics or even rubber can be used as the basic material.

Eine weitere mögliche Implementierung kann vorsehen, dass zusätzlich zu dem ersten Probenkörper wenigstens ein zweiter Probenkörper mit wenigstens einem zweiten Matrixmaterial vorgesehen ist, wobei zur Messung des elektrischen Widerstandes des zweiten Probenkörpers in oder an diesem ein drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode und einer von dieser beabstandeten sechsten Elektrode vorgesehen ist, die insbesondere mit der ersten und zweiten Elektrode identisch oder mit diesen verbunden sind, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das zweite Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem zweiten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein viertes Elektrodenpaar mit einer siebten Elektrode und einer von dieser beabstandeten achten Elektrode vorgesehen ist, wobei die fünfte und die sechste Elektrode und deren Zuleitungen von der siebten und der achten Elektrode und deren Zuleitungen separat, insbesondere innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind oder wobei die fünfte und die sechste Elektrode elektrisch mit der siebten und der achten Elektrode innerhalb des zweiten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind und wobei insbesondere das erste Matrixmaterial von dem zweiten Matrixmaterial verschieden ist.Another possible implementation can provide that, in addition to the first sample body, at least one second sample body with at least one second matrix material is provided, with a third pair of electrodes with a fifth electrode and one spaced apart from it to measure the electrical resistance of the second sample body sixth electrode is provided, which are in particular identical to or connected to the first and second electrodes, which are connected to at least one electrical power source and between which an electrical current is generated through the second matrix material by the power source, and that on or in the second sample body for measuring a voltage drop, a fourth pair of electrodes with a seventh electrode and an eighth electrode spaced therefrom is provided, the fifth and sixth electrodes and their leads from the seventh and eighth electrodes and their Z u lines are spaced apart, in particular within the matrix material, or wherein the fifth and sixth electrodes are electrically connected to the seventh and eighth electrodes within the second sample body exclusively by means of a matrix material and wherein in particular the first matrix material is different from the second matrix material.

Mit der beschriebenen Anordnung wird die Widerstandsmessung und damit die Messung der Saugspannung in dem Matrixsensor gleichzeitig oder nacheinander an mehreren Probenkörpern möglich. Diese können unterschiedliche Matrixmaterialien aufweisen, die zum Beispiel unterschiedlich porös sind oder unterschiedliche Arten oder Beimengungen von Salzen enthalten, die die eindringende Flüssigkeit leitfähig machen.With the arrangement described, the resistance measurement and thus the measurement of the suction tension in the matrix sensor is possible simultaneously or one after the other on several test bodies. These can have different matrix materials which, for example, have different porosity or contain different types or admixtures of salts that make the penetrating liquid conductive.

Die Elektroden des zweiten Probenkörpers können separat von denen des ersten Probenkörpers angelegt sein, jedoch können für die Stromeinprägung ohne weiteres dieselben Elektroden des ersten Paares sowohl für einen ersten als auch einen zweiten Probenkörper verwendet werden. Das dritte Elektrodenpaar ist in einem solchen Fall gleich/identisch dem ersten Elektrodenpaar oder stellt Verlängerungen der Elektroden des ersten Elektrodenpaares bis zum zweiten Probenkörper dar.The electrodes of the second sample body can be applied separately from those of the first sample body, but the same electrodes of the first pair can easily be used for the current impression for both a first and a second sample body. In such a case, the third pair of electrodes is the same / identical to the first pair of electrodes or represents extensions of the electrodes of the first pair of electrodes up to the second sample body.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Stromquelle zur Erzeugung von Wechselstrombelastungen mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden und Pausen zwischen den Impulsgruppen eingerichtet ist, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppen, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.It can also be provided that the at least one power source is set up to generate alternating current loads with a pulse group duration between 1 millisecond and 500 milliseconds and pauses between the pulse groups, the duration of which is longer than the duration of the pulse groups, in particular longer than twice or five times the pulse group duration , further in particular longer than 5 or 10 seconds.

Um jegliche Belastung oder Veränderung der physikalischen Verhältnisse an den Elektroden des ersten oder dritten Elektrodenpaares zu vermeiden, wird ein zeitlich begrenztes und gegebenenfalls wiederholtes Wechselstromsignal für die Messung verwendet. Die Pausen zwischen den Impulsgruppen sind für eine Beruhigung und Normalisierung des Matrixmaterials und der Kontaktstelle zwischen dem Matrixmaterial und den Elektroden vorgesehen.In order to avoid any stress or change in the physical conditions on the electrodes of the first or third pair of electrodes, a time-limited and possibly repeated alternating current signal is used for the measurement. The pauses between the pulse groups are intended to calm down and normalize the matrix material and the contact point between the matrix material and the electrodes.

Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Elektrodenpaar, deren Elektroden in oder an einem ersten Matrixmaterial eines ersten Probenkörpers jeweils separat oder beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei im Zuge des Verfahrens mittels des ersten Elektrodenpaares in dem ersten Matrixmaterial des ersten Probenkörpers ein elektrischer Strom erzeugt wird und mittels des zweiten Elektrodenpaares ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial gemessen wird, wobei mittels des ersten Elektrodenpaares ein Wechselstrom mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden erzeugt wird, wobei während der Zeit, in der der Wechselstrom fließt, durch das zweite Elektrodenpaar ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial erfasst wird und wobei die Stromparameter und die gemessenen Spannungsparameter verknüpft und aus diesen ein elektrischer Widerstand des ersten Matrixmaterials ermittelt wird.The invention also relates to a method for operating a matrix potential sensor hydraulically coupled to a medium with at least a first and a second pair of electrodes, the electrodes of which are arranged in or on a first matrix material of a first sample body separately or at a distance from one another, with the process an electric current is generated by means of the first pair of electrodes in the first matrix material of the first sample body and a voltage drop in the first matrix material is measured by means of the second pair of electrodes, an alternating current with a pulse group duration between 1 millisecond and 500 milliseconds being generated by means of the first pair of electrodes, wherein during the time the Alternating current flows, a voltage drop in the first matrix material is detected by the second pair of electrodes and the current parameters and the measured voltage parameters are linked and an electrical resistance of the first matrix material is determined from these.

Die erfassten Strom- und Spannungswerte werden gesondert einem Microcontroller zugeleitet, der aus den Werten einen elektrischen Widerstandswert und aus diesem einen Wert für die Saugspannung im Probenkörper und in dem Medium ermitteltThe recorded current and voltage values are sent separately to a microcontroller, which uses the values to determine an electrical resistance value and, from this, a value for the suction voltage in the specimen and in the medium

Eine weitere mögliche Implementierung eines solchen Verfahrens kann vorsehen, dass das oben beschriebene Verfahren nach einer Pause wiederholt wird, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppe, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.Another possible implementation of such a method can provide that the method described above is repeated after a pause, the duration of which is longer than the duration of the pulse group, in particular longer than twice or five times the pulse group duration, further in particular longer than 5 or 10 seconds.

Mit einem solchen Tastverhältnis zwischen den „bursts“, das heißt den Impulsen einer ersten Impulsgruppe, denen einer folgenden Impulsgruppe und der Pausendauer dazwischen wird eine bleibende Veränderung der elektrischen Verhältnisse im Betrieb an den Elektroden vermieden.With such a pulse duty factor between the “bursts”, i.e. the pulses of a first pulse group, those of a subsequent pulse group and the pause in between, a permanent change in the electrical conditions during operation at the electrodes is avoided.

Eine weitere mögliche Implementierung kann zudem vorsehen, dass das oben beschriebene Verfahren nacheinander oder gleichzeitig an verschiedenen Matrixmaterialien in verschiedenen Probenkörpern des Matrixpotentialsensors durchgeführt wird.Another possible implementation can also provide that the method described above is carried out one after the other or simultaneously on different matrix materials in different test bodies of the matrix potential sensor.

Hierdurch kann einerseits durch Parallelmessungen die Zuverlässigkeit der Messung erhöht oder bei Verwendung verschiedener Matrixmaterialien der Messbereich erweitert werden.In this way, on the one hand, the reliability of the measurement can be increased by parallel measurements, or the measuring range can be expanded when using different matrix materials.

Zusätzlich zu dem Sensor und dem Messverfahren bezieht sich die Erfindung auch auf einen Probenkörper für einen Matrixpotentialsensor der oben beschriebenen Art mit einem ersten Matrixmaterial, das ein poröses Grundmaterial, insbesondere eine Keramik oder einen Kunststoff aufweist, das von einem Salz, insbesondere Kaliumsulfat durchsetzt ist.In addition to the sensor and the measuring method, the invention also relates to a sample body for a matrix potential sensor of the type described above with a first matrix material which has a porous base material, in particular a ceramic or a plastic, through which a salt, in particular potassium sulfate, is permeated.

Durch die Durchsetzung des Matrixmaterials mit einem in Wasser löslichen Material, das die elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst, wird bei Eindringen des Wassers in das Matrixmaterial spätestens mit der Sättigung der Lösung eine definierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit erreicht, so dass aus der Leitfähigkeit des mit der Flüssigkeit angereicherten Matrixmaterials das Maß der Füllung mit der Flüssigkeit ermittelt werden kann. Es kommen für das Matrixmaterial verschiedene poröse Materialien wie Sinterkeramiken oder gepresste Kunststoffgranulate in Frage, die jeweils mit Salzen durchsetzt oder gefüllt sein können.By penetrating the matrix material with a water-soluble material that influences the electrical conductivity, when the water penetrates the matrix material, a defined conductivity of the liquid is achieved at the latest when the solution is saturated, so that from the conductivity of the matrix material enriched with the liquid the degree of filling with the liquid can be determined. Various porous materials such as sintered ceramics or pressed plastic granulates can be used for the matrix material, each of which can be interspersed or filled with salts.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert.In the following, the invention is illustrated with the aid of figures of a drawing and explained below.

Dabei zeigt

1: einen schematischen Aufbau eines Matrixpotentialsensors,
2: einen schematischen Aufbau eines Matrixpotentialsensors mit 2 Probenkörpern,
3: ein Ersatzschaltbild eines Matrixpotentialsensors,
4 a-d: eine elektronische Schaltung zur Durchführung von Messungen an einem Matrixpotentialsensor sowie Spannungsverläufe zur Erzeugung eines Stroms durch ein Matrixmaterial,
5 a-c: verschiedene Darstellungen eines Matrixpotentialsensors mit 2 Probenkörpern, sowie
6 a und b: verschiedene Darstellungen eines weiteren Matrixpotentialsensors.

It shows

1 : a schematic structure of a matrix potential sensor,
2 : a schematic structure of a matrix potential sensor with 2 specimens,
3rd : an equivalent circuit diagram of a matrix potential sensor,
4 ad : an electronic circuit for carrying out measurements on a matrix potential sensor as well as voltage curves for generating a current through a matrix material,
5 ac : various representations of a matrix potential sensor with 2 specimens, as well as
6 a and b: various representations of a further matrix potential sensor.

Die Messung erfolgt entsprechend der vorliegenden Erfindung im Matrixmaterial beispielsweise an Elektroden aus einem leitfähigem Polymermaterial unter Nutzung einer Vier-Leiter-Anordnung. Die Messung wird mittels eines Mikrocontrollers gesteuert und das Messsignal wird in dem Mikrocontroller ausgewertet. Hierdurch werden auch Störeinflüsse anhand von Referenzmessungen eliminiert. Zur Messung wird an die Steuerleitungen der Messfelder, das heißt die Anschlussleitungen der Elektroden des ersten und gegebenenfalls des dritten Elektrodenpaars ein Wechselspannungssignal angelegt, welches aus kurzen Impulsgruppen (Gesamtlänge z.B. 5ms) und verhältnismäßig langen Pausen (z.B. 10 Sekunden) dazwischen besteht. Dies minimiert den Leistungsverbrauch erheblich und lässt die Nutzung als autarken Sensorknoten zu.According to the present invention, the measurement is carried out in the matrix material, for example on electrodes made of a conductive polymer material using a four-conductor arrangement. The measurement is controlled by a microcontroller and the measurement signal is evaluated in the microcontroller. This also eliminates interference using reference measurements. For the measurement, an AC voltage signal is applied to the control lines of the measuring fields, i.e. the connection lines of the electrodes of the first and possibly the third pair of electrodes, which consists of short pulse groups (total length e.g. 5 ms) and relatively long pauses (e.g. 10 seconds) in between. This minimizes the power consumption considerably and allows it to be used as a self-sufficient sensor node.

Um einen Störeinfluss der offenliegenden, leitfähigen Elektroden aus Polymermaterial zu vermeiden, werden diese außerhalb des Matrixmaterials mit einer Isolierenden Beschichtung versehen. Die Elektroden können mitsamt ihren Zuleitungen aus demselben Material, also dem leitenden Polymermaterial, bestehenIn order to avoid interference from the exposed, conductive electrodes made of polymer material, they are provided with an insulating coating outside of the matrix material. The electrodes, together with their leads, can consist of the same material, that is to say the conductive polymer material

Das Matrixmessfeld, also das Volumen des jeweiligen Probenkörpers ist gefüllt mit einer Materialmischung aus Kalziumsulfat und einem granularen Füllstoff, welche ein poröses Medium bildet. Die Granularität des Füllstoffes kann gemäß dem gewünschten Messbereich der Saugspannung gewählt werden. Durch individuelle Materialkombinationen und Mischungsverhältnisse, beispielsweise zwischen einem Füllstoff und einem hinzugefügten Salz, kann der Messbereich zusätzlich auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Durch den Einsatz von mehreren Messfeldern oder Probenkörpern - welche auch mit unterschiedlichen Matrixmaterial gefüllt sein können oder der Kombination von verschiedenen Materialmischungen innerhalb eines Messfeldes, ist eine fein abgestufte Anpassung des Messbereichs möglich.The matrix measuring field, i.e. the volume of the respective sample body, is filled with a material mixture of calcium sulfate and a granular filler, which forms a porous medium. The granularity of the filler can be selected according to the desired measurement range of the suction tension. Through individual material combinations and mixing ratios, for example between a filler and an added salt, the measuring range can also be adapted to the respective application. By using several measuring fields or specimens - which can also be filled with different matrix material or the combination of different material mixtures within one measuring field, a finely graduated adjustment of the measuring range is possible.

Die Erfindung umfasst ein Messverfahren, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Saugspannung im Umgebungsmedium mittels eines Matrixpotenzialsensors, sowie die Materialkombinationen im Matrixmessfeld/Probenkörper.The invention comprises a measuring method, a device for determining the suction tension in the surrounding medium by means of a matrix potential sensor, as well as the material combinations in the matrix measuring field / sample body.

Wenn der Ausgleichsvorgang der Durchsetzung des Messfelds/Probenkörpers mit der Flüssigkeit des Mediums abgeschlossen ist, entspricht die Saugspannung des Probekörpers der Saugspannung des Umgebungsmediums. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit im Probekörper soll dabei durch den Einsatz eines speziellen Salzes wenigstens in dem örtlichen Bereich, in dem Leitfähigkeitsmessung stattfindet, definiert und unabhängig von der Saugspannung eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist der Einsatz von Kalziumsulfat als Bestandteil des Messfeldes/Probenköprers bekannt, das im Wasser eine gesättigte Lösung bildet und aufgrund der starken Dissoziation des Wassers eine hohe Leitfähigkeit der Flüssigkeit gewährleistet, solange sie wässriger Natur ist. Das Kalziumsulfat löst sich im Wasser und ionisiert dieses, sodass eine gesättigte Lösung entsteht und damit ist eine Messung der Leitfähigkeit des Probenkörpers unabhängig vom Vorhandensein anderer Stoffe im Wasser möglich. Die Leitfähigkeit des Matrixmaterials des Probenkörpers ändert sich mit steigendem Wassergehalt/Flüssigkeitsgehalt im Matrixmaterial und es ergibt sich somit ein Zusammenhang zwischen gemessener Leitfähigkeit und Saugspannung.When the equalization process of the penetration of the measuring field / specimen with the liquid of the medium has been completed, the suction tension of the test specimen corresponds to the suction tension of the surrounding medium. The conductivity of the liquid in the test specimen should be defined by the use of a special salt at least in the local area in which the conductivity measurement takes place and should be set independently of the suction tension. For this purpose, the use of calcium sulphate as a component of the measuring field / sample body is known, which forms a saturated solution in the water and, due to the strong dissociation of the water, ensures a high conductivity of the liquid as long as it is aqueous in nature. The calcium sulphate dissolves in the water and ionizes it, so that a saturated solution is created and the conductivity of the specimen can thus be measured regardless of the presence of other substances in the water. The conductivity of the matrix material of the specimen changes with increasing water content / liquid content in the matrix material and there is thus a relationship between the measured conductivity and the suction tension.

Die elektrische Leitfähigkeit wird mittels einer durch einen Mikrokontroller gesteuerten elektronischen Schaltung ermittelt. Bei der Gestaltung der Schaltung und der elektrischen Kontaktierung des Probekörpers sowie bei der Wahl der Messspannung sind elektrische und elektrochemische Effekte zu berücksichtigen.The electrical conductivity is determined by means of an electronic circuit controlled by a microcontroller. Electrical and electrochemical effects must be taken into account when designing the circuit and making electrical contact with the test specimen, as well as when selecting the measurement voltage.

Zwischen dem Matrixmaterial des Probekörpers und dem Material der elektrischen Kontaktierung bildet sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine elektrochemische Doppelschicht. Zusammen mit der leitfähigen Flüssigkeit ergibt jeder elektrische Kontakt zum Material des Probekörpers eine Anordnung, die eine Doppelschichtkapazität, eine Pseudokapazität durch Redoxreaktionen und einen Widerstand parallel dazu beinhaltet. Diese Effekte sind bei einer einfachen Messung des Widerstandes gemäß dem Stand der Technik an einem Flüssigkeit enthaltenden Probekörper durch zwei angelegte elektrische Leiter zu beachten und überlagern den Messeffekt durch einen elektrischen Widerstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Probekörper, der unter anderem vom Stromfluss und von der Dauer des Stromflusses abhängt, durch eine elektrische Kapazität zwischen dem elektrischen Leiter und dem mit Flüssigkeit gefüllten Probekörper und durch eine elektrochemische Ladespannung.When an electrical voltage is applied, an electrochemical double layer forms between the matrix material of the specimen and the material of the electrical contact. Together with the conductive liquid, every electrical contact to the material of the specimen results in an arrangement that includes a double-layer capacitance, a pseudocapacitance due to redox reactions and a resistance in parallel. These effects are to be taken into account in a simple measurement of the resistance according to the prior art on a test specimen containing liquid by means of two applied electrical conductors and superimpose the measurement effect through an electrical resistance between the electrical conductor and the test specimen, which is caused, among other things, by the current flow and by the Duration of the current flow depends, through an electrical capacitance between the electrical conductor and the test specimen filled with liquid and through an electrochemical charging voltage.

Nach dem Stand der Technik wird bei Matrixpotenzialsensoren ein Wechselspannungssignal angelegt und über die Messung des Spannungsabfalls über einen Referenzwiderstand die Berechnung des komplexen Widerstandes des Probekörpers möglich. Dieser komplexe Widerstand beinhaltet jedoch auch Leitungswiderstände, Leitungskapazitäten und Übergangswiderstände, welche das Messergebnis erheblich beeinflussen. Diese genannten Störeinflüsse erden gemäß der Erfindung vermieden oder minimiert.According to the prior art, an alternating voltage signal is applied to matrix potential sensors and the complex resistance of the test specimen can be calculated by measuring the voltage drop across a reference resistor. However, this complex resistance also includes line resistances, line capacitances and contact resistances, which have a considerable influence on the measurement result. These named disruptive influences are avoided or minimized according to the invention.

Trotz der preisgünstigen Herstellung von Gipsblocksensoren und der einfachen elektrischen Auswertung sind die Genauigkeit und der Messbereich der bekannten Sensoren eingeschränkt. Deren Kennwerte sind abhängig von der Materialmischung (Porosität) des Matrixmaterials und des Widerstandnetzwerks, welches sich aus Vorwiderstand, Leitungswiderstand und dem Widerstand des Probekörpers selbst ergibt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, beeinträchtigen diese Effekte Messgenauigkeit und Einsatzbedingungen.Despite the inexpensive production of gypsum block sensors and the simple electrical evaluation, the accuracy and the measuring range of the known sensors are limited. Their characteristic values depend on the material mixture (porosity) of the matrix material and the resistance network, which results from the series resistance, line resistance and the resistance of the test specimen itself. As is known from the prior art, these effects impair the measurement accuracy and operating conditions.

Die oben genannten Effekte, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen, werden durch den Einsatz einer Vier-Leiter-Messung gemäß der Erfindung weitgehend eliminiert. Dabei werden vier Elektroden in den Probenkörper so eingebracht, dass ein erstes Elektrodenpaar einen elektrischen Strom im Matrixmaterial des Probenkörpers erzeugt oder einprägt, wenn eine elektrische Spannung an den Anschlussleitungen angelegt wird. Durch eine geeignete Schaltungsanordnung wird ein impulsförmiger oder ein kontinuierlicher Wechselstrom durch den Probenkörper geleitet. Die Schaltungsanordnung ist so gestaltet, dass die Amplitude des Stromes nur wenig oder nicht von der Doppelschichtkapazität, der Pseudokapazität, dem Gleichstromwiderstand und der elektrischen Ladespannung beeinflusst wird. Das erfolgt durch so genannte Stromquellen-Schaltungen, durch eine Einspeisung des Potentials über einen hochohmigen externen Widerstand, der als Vorwiderstand vor dem Probenkörper dient. Es kann auch die Amplitude des Stromes gemessen und auf einen Zielwert geregelt werden. Ein zweites Elektrodenpaar, das sich im Strompfad des Probenkörpers befindet, dient dazu, die elektrische Potentialdifferenz hochohmig abzugreifen, das sich proportional zum Widerstand im Inneren des Probekörpers im elektrischen Strompfad bildet. Der Stromfluss durch die Elektroden dieses zweiten Elektrodenpaares ist sehr gering und wird vom Innenwiderstand der elektrischen Schaltung zur Spannungsmessung und durch die Kapazität der Zuleitungen bestimmt.The above-mentioned effects, which impair the measurement accuracy, are largely eliminated by using a four-wire measurement according to the invention. Four electrodes are introduced into the sample body in such a way that a first pair of electrodes generates or impresses an electrical current in the matrix material of the sample body when an electrical voltage is applied to the connection lines. A pulse-shaped or a continuous alternating current is passed through the specimen by means of a suitable circuit arrangement. The circuit arrangement is designed in such a way that the amplitude of the current is only slightly or not influenced by the double-layer capacitance, the pseudocapacitance, the direct current resistance and the electrical charging voltage. This is done by so-called current source circuits, by feeding in the potential via a high-ohm external resistor, which serves as a series resistor in front of the specimen. The amplitude of the current can also be measured and regulated to a target value. A second pair of electrodes, which is located in the current path of the specimen, is used to tap off the electrical potential difference with high resistance, which is proportional to the resistance in the interior of the specimen in the electrical current path. The current flow through the Electrodes of this second pair of electrodes is very small and is determined by the internal resistance of the electrical circuit for voltage measurement and by the capacitance of the leads.

Die elektrische Widerstandsmessung am Probenkörper erfolgt durch einen symmetrischen Schaltungsaufbau derart, dass ein Wechselstrom bzw. Wechselstromimpulse durch den Probenkörper fließen. Gleichstromanteile werden weitgehend unterdrückt. Infolgedessen kommen es nahezu nicht zu Redoxreaktionen an den Elektroden, wie das beim Einsatz einer Gleichstromquelle der Fall wäre. Konsequenterweise wird die Messung des elektrischen Potentials durch die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden gleichfalls mit einer symmetrischen Schaltungsanordnung durchgeführt, so dass gegebenenfalls in die Messschaltung abfließende Ströme in der folgenden Halbperiode der Wechselspannung oder der impulsförmigen Wechselspannung kompensiert werden und effektiv keine elektrische Ladung verbleibt.The electrical resistance measurement on the specimen is carried out using a symmetrical circuit structure in such a way that an alternating current or alternating current pulses flow through the specimen. DC components are largely suppressed. As a result, there are almost no redox reactions at the electrodes, as would be the case with the use of a direct current source. Consequently, the measurement of the electrical potential through the electrically conductive polymer electrodes is also carried out with a symmetrical circuit arrangement, so that any currents flowing into the measuring circuit are compensated for in the following half-cycle of the alternating voltage or the pulsed alternating voltage and effectively no electrical charge remains.

Diese aus der klassischen Elektrotechnik bekannte Vierleitertechnik zur Messung des spezifischen Widerstandes bekommt in dieser Anwendung eine besondere Bedeutung dadurch, dass neben der Reduzierung des Einflusses von Zuleitungs- und Kontaktwiderständen, wie in der klassischen Elektrotechnik, auch die Wirkung einer elektrischen Ladespannung am ersten Elektrodenpaar wesentlich reduziert wird bzw. sich die Wirkung einer elektrischen Ladespannung am zweiten Elektrodenpaar gegenseitig kompensiert und dadurch unwirksam wird. Die Anordnung entfaltet Vorteile besonders auch dann, wenn die Kontaktbedingungen zwischen den Elektroden und dem Matrixmaterial, das beispielsweise als Schüttung vorliegen kann, nicht optimal definiert oder nicht sehr stabil sind.This four-wire technique for measuring the specific resistance, known from classical electrical engineering, is of particular importance in this application because, in addition to reducing the influence of lead and contact resistances, as in classical electrical engineering, it also significantly reduces the effect of an electrical charging voltage on the first pair of electrodes is or the effect of an electrical charging voltage on the second pair of electrodes mutually compensated and thus ineffective. The arrangement also develops advantages particularly when the contact conditions between the electrodes and the matrix material, which can be present as a bed, for example, are not optimally defined or are not very stable.

Eine bevorzugte Variante der Anordnung benutzt elektrisch leitfähige Elektroden aus Polymermaterial, z.B. kohlenstoffgefülltes Polymer. Das hat den Vorteil, dass die bei Metallen bekannten Korrosionseffekte, die zu reduzierter Elektrodenfläche, zu Veränderungen der elektrochemischen Effekte oder zur mechanischen Zerstörung der Elektroden führen können, nicht auftreten. Außerdem können die Elektroden und gegebenenfalls auch ihre Zuleitungen als Vorwiderstand für die Stromeinprägung verwendet werden. Zudem ist eine umweltschonende thermische Verwertung derartiger Sensoren nach dem Gebrauchsende einfacher möglich. Die Nutzung von Polymeren als Materialien zum Aufbau der Sensoren ermöglicht einen Aufbau von vollständig biologisch abbaubaren bzw. inerten Sensorelementen. Sowohl Sensorgehäuse als auch die Elektronik können aus kompostierbaren oder inerten Materialen ausgeführt sein und ermöglichen umweltfreundlich abbaubare Elektroniksysteme, welche nach dem Ende ihrer Lebensdauer z.B. thermisch verwertet werden oder kompostiert werden können.A preferred variant of the arrangement uses electrically conductive electrodes made of polymer material, e.g. carbon-filled polymer. This has the advantage that the corrosion effects known from metals, which can lead to a reduced electrode area, changes in the electrochemical effects or mechanical destruction of the electrodes, do not occur. In addition, the electrodes and, if necessary, their leads can be used as a series resistor for the current injection. In addition, environmentally friendly thermal recycling of such sensors is easier after the end of their use. The use of polymers as materials for the construction of the sensors enables the construction of completely biodegradable or inert sensor elements. Both the sensor housing and the electronics can be made of compostable or inert materials and enable environmentally friendly degradable electronic systems, which can, for example, be thermally recycled or composted at the end of their service life.

Die vorliegende Lösung gestattet zudem eine anwendungsspezifische Messbereichseinstellung durch den Einsatz von mehreren Probenkörpern mit unterschiedlichen Matrixmaterialmischungen. Somit kann der Messbereich an die Anforderungen angepasst werden und es kann durch Überlagerung oder Kombination der Messwerte verschiedener Matrixmessfelder ein großer Messbereich abgedeckt werden. Der Einsatz ist nicht auf das Material von Böden limitiert.The present solution also allows an application-specific measuring range setting through the use of several specimens with different matrix material mixtures. The measuring range can thus be adapted to the requirements and a large measuring range can be covered by superimposing or combining the measured values from different matrix measuring fields. The use is not limited to the material of the floors.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Matrixpotenzialsensors mit einem integrierten Mikrocontroller 107, welcher auf einer Trägerplatine 108 aufgebracht ist. Dies kann entweder eine gewöhnliche Leiterplatte oder ein biologisch abbaubares Trägersubtrat sein.The 1 shows an embodiment of a matrix potential sensor with an integrated microcontroller 107 , which is on a carrier board 108 is upset. This can either be an ordinary printed circuit board or a biodegradable carrier substrate.

1 zeigt den schematischen Aufbau eines Matrixpotenzialsensors mit einem ersten Paar 102a, 102b und einem zweiten Paar 101a, 101b elektrisch leitfähiger Polymerelektroden und einem Probekörper 104 mit einer porösen Matrixmaterialmischung, die Kalziumsulfat und einen Füllstoff enthält. Der Probekörper ist innerhalb des Gehäuses 106 angeordnet und hydraulisch an das Umgebungsmedium gekoppelt (z.B. in den Boden eingebracht). Jeweils ein Ende der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b, 102a, 102b sind an eine Auswerteelektronik mit integriertem Mikrokontroller 107 angeschlossen. Dabei ragen die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 102a, 102b in den Probekörper hinein und sind dazu vorgesehen, einen elektrischen Strom im Probekörper 104 zu erzeugen. Die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b ragen ebenfalls in den Probekörper hinein und werden zur Messung einer elektrischen Potentialdifferenz/eines Spannungsabfalls im Probenköper 104 eingesetzt, die ein Maß für den elektrischen Widerstand des Matrixmaterials ist. 1 shows the schematic structure of a matrix potential sensor with a first pair 102a , 102b and a second pair 101a , 101b electrically conductive polymer electrodes and a test specimen 104 with a porous matrix material mixture containing calcium sulfate and a filler. The specimen is inside the housing 106 arranged and hydraulically coupled to the surrounding medium (eg introduced into the ground). One end of each of the electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b , 102a , 102b are connected to evaluation electronics with an integrated microcontroller 107 connected. The electrically conductive polymer electrodes protrude 102a , 102b into the specimen and are intended to generate an electric current in the specimen 104 to create. The electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b also protrude into the specimen and are used to measure an electrical potential difference / voltage drop in the specimen 104 used, which is a measure of the electrical resistance of the matrix material.

2 zeigt den schematischen Aufbau eines Matrixpotenzialsensors mit elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b,102a, 102b,103a, 103b und zwei Probekörpern 104, 105 mit einer porösen Matrixmaterialmischung (Kalziumsulfat + Füllstoff). Die Probekörper 104, 105 sind innerhalb des Gehäuses 106 angeordnet und hydraulisch an das Umgebungsmedium gekoppelt (z.B. in den Boden eingebracht). Die Enden der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b sind an eine Ansteuer- und Auswerteelektronik angeschlossen. Dabei sind die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 102a, 102b des ersten Elektrodenpaares dazu vorgesehen, einen elektrischen Strom in beiden Probenkörpern 104 und 105 zu erzeugen. Die Verlängerungen der Polymerelektroden 102a, 102b bis zum zweiten Probenkörper 105 können auch als drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode 120a, und einer sechsten Elektrode 120b betrachtet und bezeichnet werden. Die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b des zweiten Elektrodenpaares werden zur Messung der abfallenden elektrischen Spannung im ersten Probenköper 104 und die Polymerelektroden 103a, 103b des vierten Elektrodenpaares werden zur Messung der abfallenden elektrischen Spannung im zweiten Probenköper 105 verwendet und sind in den Probenkörpern jeweils zwischen den Elektroden 102a, 102b, 120a, 120b angeordnet. Die Polymerelektroden 103a, 103b des vierten Elektrodenpaares sind in dem Ausführungsbeispiel derart gebogen, dass sie den zweiten Probenkörper neben den Elektroden120a, 120b passieren, aus dem zweiten Probenkörper austreten und nach einer 180 Grad-Wendung zwischen den Elektroden 120a, 120b wieder in diesen zur Spannungsmessung hineinragen. Damit kann mittels der Probenkörper 104, 105 in einem Matrixsensor eine Saugspannung mit unterschiedlichen Matrixmaterialien und verschiedenen Messempfindlichkeiten bzw. Messbereichen ermittelt werden. 2 shows the schematic structure of a matrix potential sensor with electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b , 102a, 102b , 103a, 103b and two test specimens 104 , 105 with a porous matrix material mixture (calcium sulfate + filler). The specimens 104 , 105 are inside the case 106 arranged and hydraulically coupled to the surrounding medium (eg introduced into the ground). The ends of the electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b , 102a , 102b , 103a , 103b are connected to control and evaluation electronics. Here are the electrically conductive polymer electrodes 102a , 102b of the first pair of electrodes is provided to generate an electric current in both specimens 104 and 105 to create. The extensions of the polymer electrodes 102a , 102b to the second specimen 105 can also be used as a third pair of electrodes with a fifth electrode 120a , and a sixth electrode 120b be considered and designated. The electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b of the second pair of electrodes are used to measure the falling electrical voltage in the first test specimen 104 and the polymer electrodes 103a , 103b of the fourth pair of electrodes are used to measure the falling electrical voltage in the second test specimen 105 used and are in the specimens between the electrodes 102a , 102b , 120a , 120b arranged. The polymer electrodes 103a , 103b of the fourth pair of electrodes are bent in the exemplary embodiment in such a way that they pass the second sample body next to the electrodes 120a, 120b, emerge from the second sample body and after a 180 degree turn between the electrodes 120a , 120b again protrude into this for voltage measurement. Thus, by means of the specimen 104 , 105 a suction tension with different matrix materials and different measurement sensitivities or measurement ranges can be determined in a matrix sensor.

3 zeigt das Ersatzschaltbild des Matrixpotenzialsensors mit einer Vier-Leiter-Anordnung. Folgende Elemente sind darin enthalten:

a. R2₁, R2₂, R2₃ sind die Widerstände zwischen den Elektroden im Matrixmaterial des Probekörpers. Sie stehen in direkten Zusammenhang mit dem Wassergehalt im Material
b. C2₁, C2₂, C2₃ sind parasitäre Kapazitäten im Gehäuse und an den Elektroden außerhalb des Probekörpers und beinhalten auch die Leitungskapazitäten
c. R1_x, U1_x, C1_x (x kann=1, 2 oder 3 sein) repräsentieren Störgrö-ßen, welche aus z.B. aus Kontaktwiderständen und elektrochemischen Prozessen entstehen. Sie verfälschen das Messergebnis.
d. R_V1, R_V2, R_V3, R_V4 sind Widerstände der Zuleitungen aus elektrisch leitfähigem Polymermaterials bzw. externe Widerstände, die als Vorwiderstände bei der Stromeinprägung in den Probekörpern dienen und eine Größenordnung von jeweils zwischen 500 Ohm und 500 Kiloohm aufweisen.

3rd shows the equivalent circuit diagram of the matrix potential sensor with a four-wire arrangement. It contains the following elements:

a. R2 ₁ , R2 ₂ , R2 ₃ are the resistances between the electrodes in the matrix material of the specimen. They are directly related to the water content in the material
b. C2 ₁ , C2 ₂ , C2 ₃ are parasitic capacitances in the housing and on the electrodes outside the specimen and also contain the line capacitances
c. R1 _x , U1 _x , C1 _x (x can be 1, 2 or 3) represent disturbance variables that arise from contact resistances and electrochemical processes, for example. They falsify the measurement result.
d. R _V1 , R _V2 , R _V3 , R _V4 are resistances of the supply lines made of electrically conductive polymer material or external resistors, which serve as series resistors when current is impressed in the test specimens and each have a magnitude of between 500 ohms and 500 kilohms.

4a zeigt schematisch anhand eines Beispiels eine elektronische Schaltung zur Widerstandsmessung an einem Probenkörper unter Verwendung einer impulsförmigen Wechselspannung zur Erzeugung eines Stroms durch den Probenkörper. Zwei Spannungsquellen 1,2, die durch Ausgänge eines Mikrocontrollers gespeist werden, erzeugen die Spannungsimpulse U_inv und Utr, wie im Diagramm 4b bzw. 4c gezeigt ist. Aufgrund der elektrischen Schaltung mit den Dioden D11, D12, den Schutzdioden D21 und D22 sowie den Widerständen Rinv und Rtr bildet sich als resultierende Potentialdifferenz an den Elektroden 102a und 102b eine elektrische Spannung U_t = U_t1 - U_t2, wie im Diagramm 4d gezeigt ist. Obwohl die Spannungen U_inv und Utr unipolar Spannungen sind, ist die Spannung am Probenkörper symmetrisch bipolar, so dass ein Wechselstrom bzw. ein impulsförmiger Wechselstrom durch den Probenkörper fliest und effektiv keine Ladung zurückbleibt. 4a shows schematically an example of an electronic circuit for measuring resistance on a specimen using a pulsed alternating voltage to generate a current through the specimen. Two voltage sources 1, 2, which are fed by the outputs of a microcontroller, generate the voltage pulses U _inv and Utr, as shown in the diagram 4b or. 4c is shown. Because of the electrical circuit with the diodes D11 , D12 , the protection diodes D21 and D22 as well as the resistors Rinv and Rtr is formed as the resulting potential difference at the electrodes 102a and 102b an electrical voltage U _t = U _t1 - U _t2 , as in the diagram 4d is shown. Although the voltages U _inv and Utr are unipolar voltages, the voltage on the specimen is symmetrically bipolar, so that an alternating current or a pulsed alternating current flows through the specimen and effectively no charge remains.

5a, 5b und 5c zeigen ein Ausführungsbeispiel als Topfpflanzensensor mit zwei Matrixmessfeldern. Der Matrixpotentialsensor enthält zwei Probekörper, wobei ein Probekörper 104 lediglich im oberen Bereich des Sensors an das Umgebungsmedium angekoppelt ist und ein anderer Probeköper 105 lediglich im unteren Bereich an das Umgebungsmedium angekoppelt ist. Das ermöglicht die Messung der Saugspannung in unterschiedlichen Bereichen des Umgebungsmediums. Das Ausführungsbeispiel enthält eine Trennung zwischen dem mit dem Matrixmaterial versehenen Probekörpern 104 und 105 und dem Umgebungsmedium in Form eines Kunststoffvlieses und einer perforierten Wand 110 des Gehäuses 106. Im Ausführungsbeispiel besteht der perforierte Teil der Wand des Gehäuses 106 aus Metall. Es kann jedoch hierfür auch Kunststoff oder ein anderes biologisch abbaubares Material eingesetzt werden. Die Enden der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a,101b, 102a, 102b, und 103a, 103b sind im abgebildeten Ausführungsbeispiel mit einer elektrischen Kontaktleiste 111 für den elektrischen Anschluss an eine elektronische Schaltung verbunden. Das untere Ende des Matrixpotentialsensors in dieser Ausführung wird durch ein sich nach außen verjüngendes Gehäuseteil 107 gebildet, das bis in das Innere des Gehäuses 106 ausgebildet ist und jeweils den unteren Abschluss der Probenkörper 104 und 105 bildet. Dadurch ist das Füllen der Probenkörper 104 und 105 mit dem Matrixmaterial möglich, bevor das sich nach unten verjüngende Gehäuseteil 107 mit dem Gehäuse 106 zusammengebracht und mechanisch zusammengefügt wird. Der dargestellte Topfpflanzensensor enthält zudem noch Messfühler für Temperatur und Beleuchtung. 5a , 5b and 5c show an embodiment as a potted plant sensor with two matrix measuring fields. The matrix potential sensor contains two specimens, one specimen 104 is only coupled to the surrounding medium in the upper area of the sensor and another specimen 105 is only coupled to the surrounding medium in the lower area. This enables the suction tension to be measured in different areas of the surrounding medium. The exemplary embodiment contains a separation between the test specimens provided with the matrix material 104 and 105 and the surrounding medium in the form of a plastic fleece and a perforated wall 110 of the housing 106 . In the exemplary embodiment, the perforated part consists of the wall of the housing 106 made of metal. However, plastic or another biodegradable material can also be used for this purpose. The ends of the electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b , 102a , 102b , and 103a , 103b are in the illustrated embodiment with an electrical contact strip 111 connected for electrical connection to an electronic circuit. The lower end of the matrix potential sensor in this embodiment is made up of a housing part that tapers outwards 107 formed that right into the interior of the case 106 is formed and in each case the lower end of the specimen 104 and 105 forms. This is the filling of the specimen 104 and 105 possible with the matrix material before the downwardly tapering housing part 107 with the case 106 is brought together and mechanically joined together. The pot plant sensor shown also contains sensors for temperature and lighting.

Die 6a und 6b zeigen in zwei verschiedenen Ansichten ein Ausführungsbeispiel für einen Bodensensor mit einem Gehäuse aus kompostierbaren Materialen. Das Gehäuse 106 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus zwei gleichen Gehäusehälften, die in ihrem Inneren eine elektronische Schaltung 108 mit Mikrokontroller 107, ein Funk-Kommunikationsmodul 111, Antenne 112 und Batterie besitzen. Der Probenkörper 104 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im unteren, spitz zulaufenden Bereich des Sensors angebracht und durch Perforationen des Gehäuses 106 hydraulisch an das Umgebungsmedium angekoppelt. Der Bodensensor enthält zudem Messfühler 113 zur Erfassung der Temperatur.The 6a and 6b show, in two different views, an exemplary embodiment for a soil sensor with a housing made of compostable materials. The case 106 consists in this embodiment of two identical housing halves, which have an electronic circuit in their interior 108 with microcontroller 107 , a radio communication module 111 , Antenna 112 and own battery. The specimen 104 is attached in this embodiment in the lower, tapering area of the sensor and through perforations in the housing 106 hydraulically coupled to the surrounding medium. The floor sensor also contains measuring probes 113 for recording the temperature.

Aspekte der ErfindungAspects of the Invention

1. Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung des angekoppelten Mediums mit einem Probenkörper aus einem Matrixmaterial, das insbesondere aus Kalziumsulfat und Füllstoff besteht und dessen elektrischer Widerstand als Maß für die Saugspannung des angekoppelten Mediums gemessen wird, wobei die Messung des elektrischen Widerstandes des Probenkörpers mittels einer Vier-Leiter- Messung erfolgt und wobei insbesondere die elektrischen Anschlüsse zum Probenkörper 104, 105 durch elektrisch leitfähigem Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b ausgebildet sind.1.Matrix potential sensor for determining the suction tension of the coupled medium with a sample body made of a matrix material, which consists in particular of calcium sulfate and filler and whose electrical resistance is measured as a measure of the suction voltage of the coupled medium, the measurement of the electrical resistance of the sample body using a four -Conductor measurement takes place and in particular the electrical connections to the specimen 104 , 105 by electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b and 102a , 102b , 103a , 103b , 120a , 120b are trained.
2. Matrixpotentialsensor nach Aspekt 1, wobei die elektrisch leitfähigen Elektroden, insbesondere Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b, jeweils einen elektrischen Widerstand zwischen ihren an der Auswerteschaltung oder dem Mikrocontroller angeschlossenen Enden und ihren Enden im Probenkörper zwischen 0,5 Kiloohm und 500 Kiloohm aufweisen.2. Matrix potential sensor according to aspect 1 , wherein the electrically conductive electrodes, in particular polymer electrodes 101a , 101b and 102a , 102b , 103a , 103b , 120a , 120b , each have an electrical resistance between their ends connected to the evaluation circuit or the microcontroller and their ends in the sample body between 0.5 kiloohms and 500 kiloohms.
3. Matrixpotentialsensor nach Aspekt 2, wobei die elektrisch leitfähigen Elektroden, insbesondere Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b außerhalb des Probenkörpers eine isolierende Beschichtung aufweisen oder gekapselt sind.3. Matrix potential sensor according to aspect 2 , wherein the electrically conductive electrodes, in particular polymer electrodes 101a , 101b and 102a , 102b , 103a , 103b , 120a , 120b have an insulating coating outside the specimen or are encapsulated.
4. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die Messung des Widerstandes des Probenkörpers durch eine elektronische Schaltung realisiert wird, die eine effektive Wechselstrombelastung mittels kurzer Impulsgruppen (Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden) und verhältnismäßig langen Pausen zwischen den Impulsgruppen (zwischen 500 Millisekunden und 10 Sekunden) erzeugt.4. Matrix sensor according to one of the aspects 1 to 3rd , whereby the measurement of the resistance of the specimen is realized by an electronic circuit that generates an effective alternating current load by means of short pulse groups (pulse group duration between 1 millisecond and 500 milliseconds) and relatively long pauses between the pulse groups (between 500 milliseconds and 10 seconds).
5. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei die Spannung zwischen den elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b in einer kurzen Zeit (zwischen 0,01 Millisekunde und 100 Millisekunden) nach der Wechselspannungsbelastung gemessen und zur Berechnung des Widerstandes des Probenkörpers 104 verwendet wird.5. Matrix sensor according to one of the aspects 1 to 4th , the voltage between the electrically conductive polymer electrodes 101a , 101b measured in a short time (between 0.01 milliseconds and 100 milliseconds) after the AC voltage load and used to calculate the resistance of the specimen 104 is used.
6. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei mehrere Probenkörper 104, 105 verwendet werden und die Messung der elektrischen Widerstände der Probenkörper getrennt erfolgt.6. Matrix sensor according to one of the aspects 1 to 5 , taking multiple specimens 104 , 105 are used and the measurement of the electrical resistances of the specimens is carried out separately.
7. Matrixmessfeld nach Aspekt 6 wobei die Ansteuerung mehrerer Messfelder/ Probenkörpern 104, 105 mit ihren Matrixmaterialmischungen mit dem gleichen Steuersignal in Form eines eingeprägten elektrischen Stroms erfolgt und eine gekoppelte Messung und Überlagerung oder Kombination der Messergebnisse der abfallenden Spannungen zu den einzelnen Messfeldern/Probenkörpern zur Messbereichserweiterung genutzt wird7. Matrix measuring field by aspect 6th whereby the control of several measuring fields / specimens 104 , 105 with their matrix material mixtures with the same control signal in the form of an impressed electric current and a coupled measurement and superposition or combination of the measurement results of the falling voltages for the individual measurement fields / specimens is used to expand the measurement range
8. Matrixsensor nach Aspekt 7, wobei die Probenkörper 104, 105 mit unterschiedlichem Matrixmaterial gefüllt sind und sich die Matrixmaterialien hinsichtlich der Porosität oder des Volumen- Füllgrades unterscheiden.8. Matrix sensor by aspect 7th , the specimen 104 , 105 are filled with different matrix material and the matrix materials differ in terms of porosity or volume filling level.
9. Matrixmessfeld nach einem der Aspekte 1 bis 9 mit einem Probenkörper 104, 105 mit einem porösem Medium aus keramischem Material oder Kunststoff in welches Kalziumsulfat eingebracht ist, sodass eindringendes Wasser zu einer gesättigten Kalziumsulfatlösung wird.9. Matrix measuring field according to one of the aspects 1 to 9 with a specimen 104 , 105 with a porous medium made of ceramic material or plastic in which calcium sulfate is incorporated, so that penetrating water becomes a saturated calcium sulfate solution.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102004056178 A1 [0007]DE 102004056178 A1 [0007]
WO 2014/113460 A1 [0008]WO 2014/113460 A1 [0008]
WO 2012/175976 A1 [0009]WO 2012/175976 A1 [0009]

Claims

Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei alle Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode elektrisch mit der dritten und der vierten Elektrode innerhalb des ersten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind.Matrix potential sensor for determining the suction tension of a medium with a first sample body (104) which is hydraulically coupled to the medium and which contains at least one absorbent first matrix material, the electrical resistance of the first sample body depending on the suction tension of the medium hydraulically coupled to it, characterized in that, that for measuring the electrical resistance of the first sample body in or on this a first pair of electrodes (102a, 102b) with a first electrode (102a) and a second electrode (102b) spaced apart therefrom is provided, which is connected to at least one electrical power source (1, 2) are connected and between which an electrical current is generated through the first matrix material by the power source, and that on or in the first sample body for measuring a voltage drop a second pair of electrodes (101a, 101b) with a third electrode (101a) and one of this spaced fourth electrode (101b) is provided, wherein all electrodes (101a, 101b, 102a, 102b) are arranged separately from one another, in particular the first and second electrodes are electrically connected to the third and fourth electrodes within the first sample body exclusively by means of a matrix material.

Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.Matrix potential sensor for determining the suction tension of a medium with a first sample body (104) which is hydraulically coupled to the medium and which contains at least one absorbent first matrix material, the electrical resistance of the first sample body depending on the suction tension of the medium hydraulically coupled to it, characterized in that, that for measuring the electrical resistance of the first sample body in or on this a first pair of electrodes (102a, 102b) with a first electrode (102a) and a second electrode (102b) spaced apart therefrom is provided, which is connected to at least one electrical power source (1, 2) are connected and between which an electrical current is generated through the first matrix material by the power source, and that on or in the first sample body for measuring a voltage drop a second pair of electrodes (101a, 101b) with a third electrode (101a) and one of this spaced fourth electrode (101b) is provided, wherein the first and the second electrode and their leads are spaced from the third and the fourth electrode and their leads within the matrix material.

Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der zwei Elektrodenpaare (101a, 101b, 102a, 102b) als Vier-Leiter- Anordnung ausgebildet ist.Matrix potential sensor according to Claim 1 or 2 , characterized in that the arrangement of the two pairs of electrodes (101a, 101b, 102a, 102b) is designed as a four-conductor arrangement.

Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenpaar (101a, 101b, 102a, 102b) als Paar von Polymerelektroden ausgebildet ist.Matrix potential sensor according to Claim 1 , 2 or 3rd , characterized in that the first and / or the second pair of electrodes (101a, 101b, 102a, 102b) is designed as a pair of polymer electrodes.

Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem ersten Probenkörper (104) wenigstens ein zweiter Probenkörper (105) mit wenigstens einem zweiten Matrixmaterial vorgesehen ist, wobei zur Messung des elektrischen Widerstandes des zweiten Probenkörpers in oder an diesem ein drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode (120a) und einer von dieser beabstandeten sechsten Elektrode (120b) vorgesehen ist, die insbesondere mit der ersten und zweiten Elektrode (102a, 102b) identisch oder mit diesen verbunden sind, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das zweite Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem zweiten Probenkörper (105) zur Messung eines Spannungsabfalls ein viertes Elektrodenpaar (103a, 103b) mit einer siebten Elektrode (103a) und einer von dieser beabstandeten achten Elektrode (103b) vorgesehen ist, wobei die fünfte und die sechste Elektrode und deren Zuleitungen von der siebten und der achten Elektrode und deren Zuleitungen separat, insbesondere innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind oder wobei die fünfte und die sechste Elektrode elektrisch mit der siebten und der achten Elektrode innerhalb des zweiten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind und wobei insbesondere das erste Matrixmaterial von dem zweiten Matrixmaterial verschieden ist.Matrix potential sensor according to Claim 1 , 2 , 3rd or 4th , characterized in that, in addition to the first sample body (104), at least one second sample body (105) with at least one second matrix material is provided, a third pair of electrodes with a fifth electrode (120a in or on the electrical resistance of the second sample body) ) and a sixth electrode (120b) spaced apart therefrom, which in particular are identical to or connected to the first and second electrodes (102a, 102b), which are connected to at least one electrical power source and between which an electrical power source is provided Current is generated by the second matrix material, and that a fourth pair of electrodes (103a, 103b) with a seventh electrode (103a) and an eighth electrode (103b) spaced therefrom are provided on or in the second sample body (105) for measuring a voltage drop , the fifth and sixth electrodes and their leads from de r seventh and eighth electrodes and their leads are separated, in particular spaced apart within the matrix material, or wherein the fifth and sixth electrodes are electrically connected to the seventh and eighth electrodes within the second sample body exclusively by means of a matrix material and in particular the first matrix material of is different from the second matrix material.

Matrixpotentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stromquelle (1, 2) zur Erzeugung von Wechselstrombelastungen mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden und Pausen zwischen den Impulsgruppen (200) eingerichtet ist, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppen, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.Matrix potential sensor according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the at least one power source (1, 2) is set up to generate alternating current loads with a pulse group duration between 1 millisecond and 500 milliseconds and pauses between the pulse groups (200), the duration of which is longer than the duration of the pulse groups, in particular longer than twice or five times the pulse group duration, more particularly longer than 5 or 10 seconds.

Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Elektrodenpaar, deren Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) in oder an einem ersten Matrixmaterial eines ersten Probenkörpers (104) jeweils separat oder beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei im Zuge des Verfahrens mittels des ersten Elektrodenpaares (102a, 102b) in dem ersten Matrixmaterial des ersten Probenkörpers ein elektrischer Strom erzeugt wird und mittels des zweiten Elektrodenpaares (101a, 101b) ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Elektrodenpaares ein Wechselstrom mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden erzeugt wird, dass während der Zeit, in der der Wechselstrom fließt, durch das zweite Elektrodenpaar ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial erfasst wird und dass die Stromparameter und die gemessenen Spannungsparameter verknüpft und aus diesen ein elektrischer Widerstand des ersten Matrixmaterials ermittelt wird.Method for operating a matrix potential sensor which is hydraulically coupled to a medium and has at least a first and a second pair of electrodes, the electrodes (101a, 101b, 102a, 102b) of which are each arranged separately or at a distance from one another in or on a first matrix material of a first sample body (104), wherein in the course of the method an electric current is generated by means of the first pair of electrodes (102a, 102b) in the first matrix material of the first sample body and a voltage drop is generated in the by means of the second pair of electrodes (101a, 101b) first matrix material is measured, characterized in that an alternating current with a pulse group duration between 1 millisecond and 500 milliseconds is generated by means of the first pair of electrodes, that during the time in which the alternating current flows, a voltage drop in the first matrix material is detected by the second pair of electrodes and that the current parameters and the measured voltage parameters are linked and an electrical resistance of the first matrix material is determined from these.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einer Pause wiederholt wird, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppe (200), insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the method is repeated after a pause, the duration of which is longer than the duration of the pulse group (200), in particular longer than twice or five times the pulse group duration, further in particular longer than 5 or 10 seconds.

Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß Patentanspruch 7 oder 8 nacheinander oder gleichzeitig an verschiedenen Matrixmaterialien in verschiedenen Probenkörpern (104, 105) des Matrixpotentialsensors durchgeführt wird.Method for operating a matrix potential sensor hydraulically coupled to a medium, characterized in that the method according to Claim 7 or 8th is carried out successively or simultaneously on different matrix materials in different sample bodies (104, 105) of the matrix potential sensor.

Probenkörper für einen Matrixpotentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem ersten Matrixmaterial, das ein poröses Grundmaterial, insbesondere eine Keramik oder einen Kunststoff aufweist, das von einem Salz, insbesondere Kaliumsulfat durchsetzt ist.Sample body for a matrix potential sensor according to one of the Claims 1 to 6th with a first matrix material which has a porous base material, in particular a ceramic or a plastic, through which a salt, in particular potassium sulfate, is permeated.